CN104597603A - 平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件，包括图像显示光源、准直透镜组、耦合输入面、平面波导衬底以及锯齿槽结构。其中图像显示光源用来发出显示所需图像的显示光波，准直透镜组用来对光源发出的光波进行准直，耦合输入面将准直光波耦合进入到平面波导，平面波导衬底则对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波，锯齿槽结构将用于视场扩展以及光波耦合输出衬底。本发明具有结构轻薄、视场角易于扩展、加工工艺简单易实现和成本低廉的特点，不仅能用于可穿戴显示，同时还可用于实时现场操作、裸眼3D显示、搜寻定位显示等诸多领域。

Description

平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件

技术领域

本发明涉及一种目视光学显示器件，特别是一种可用于全眼穿戴穿透显示的平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件。

背景技术

对于头戴显示光学系统来说，为了体现增强现实的效果，通常是利用光学元件将图像信息虚拟的显示在人眼前方一定的距离处，使穿戴者在浏览信息的同时可以观察到周围景物的变化，从而不影响正常的行为方式。为此增强现实型的可穿戴显示光学系统，为了使穿戴者能够及时的获取来自显示光源的全部信息，通常要求显示系统具有视场大、结构轻薄以及增强现实的特点。而传统的头戴显示系统是基于45o反射式结构或离轴光学结构来实现的。这些结构在视场增大和头盔的整体重量方面存在着很大的矛盾。例如基于45o反射式结构显示系统，为了增大视场，只有通过增加45o反射面的面积来实现，这意味着整体显示系统的重量增加，给佩戴者带来了很大的不舒适感。

为此，视场大，结构紧凑、轻薄，以及高分辨率的图像显示一直是此类光学系统亟待解决的关键问题。其中显示系统的紧凑、轻薄和大视场尤为重要。在某些应用领域，图像的对比度和观察视场范围的大小直接影响到观察人员的安全以及获取信息的完整性，同时显示系统的整体重量对佩戴者的舒服程度有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统的重量与视场之间的矛盾以及制造工艺复杂等带来的一系列问题，本发明设计了一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件，其特征在于：依次包括：图像显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；准直透镜，对光源发出的光波进行准直；耦合输入面，将准直光波耦合进入到平面波导；平面波导衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；锯齿槽结构，用于视场扩展以及光波耦合输出衬底。其中，准直透镜组位于图像显示光源和平面波导衬底之间，锯齿槽结构位于平面波导衬底的中间夹层位置。本发明主要是采用多次内分光技术、微纳米加工技术、全反射原理和微齿形面一次反射成像原理来实现的。来自图像显示光源的光线经过准直透镜准直后入射到耦合输入面，经折射进入到平面波导衬底中。采用棱镜改变光线传播方向的原理，使光线以满足全反射的条件在平面波导中传播。光线在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置后，由于锯齿槽结构位于显示输出的位置，该结构的存在打破了光线在平面波导中的全反射传输条件，经过齿形结构倾斜齿面的一次反射成像，使光波耦合输出到平面波导外，从而进入到观察者的视野中。而来自周围景物的光线，经过平面波导衬底上下表面以及锯齿槽结构的反射直接进入到人眼，从而实现了图像信息和周围景物的同时观察。

本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征：耦合输入面的有效通光口径内蒸镀有相应的多层增透膜，耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜，锯齿结构的外表面旋涂有反射膜。

本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征：锯齿夹层结构的平面波导衬底是由带有凸出锯齿结构和凹陷锯齿结构的两个平面衬底通过锯齿黏合嵌套在一起的。

本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征：锯齿槽结构的齿形表面需要加工到镜面（表面粗糙度R_a应小于成像光的波长尺寸，如10-20nm）的效果，且单个锯齿单元的长度应大于一个成像光波长。

本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征：平面波导衬底的上下两个平行表面的粗糙度、平行度以及平面度都必须满足基本光学加工的要求。

本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征：锯齿槽结构的锯齿单元的两个斜面与水平面的夹角β_-c1与β_-c2之间满足下述关系：

β_-c2 =90°－ β_-c1。

本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征：主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1与锯齿结构的总长度L2之间满足下述关系：

L1 ≥ L2。

本发明提供的目视光学显示器件，还具有这样的特征：耦合输入面到锯齿槽结构输出面的距离W1与主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1之间满足下述关系：

W1 = M*L1 ，其中M为正整数。

与现有的成像系统相比，本发明的有益效果是：结构轻薄、视场角易于扩展、加工工艺简单易实现和成本低廉。这些有益效果使得本发明与传统45o反射显示系统相比，图像的对比度得以提高，成像系统的体积和重量得以减小。在相同的体积下，本发明光学系统的视场更大，制造工艺更简单易行、成本更低、结构也更紧凑小巧。本发明光学系统不仅能用于可穿戴显示，还可用于实时现场操作、裸眼3D显示、搜寻定位显示等诸多领域。

附图说明

图1为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的示意图；

图2为传统潜望式光学显示系统的光线传播示意图；

图3为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的平面波导衬底示意图；

图4为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构示意图；

图5为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的旋涂示意图；

图6为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的光线传播示意图；

图7为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的结构参数示意图；

图8为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构旋涂膜层的反射率随入射角度变化的曲线图；

图9为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构旋涂膜层的反射率随波长变化的曲线图；以及

图10为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的集成单眼应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体工作过程给予说明。

图1为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的示意图。如图1所示，本发明光学显示器件的系统组成包括：图像显示光源10，准直透镜组11，耦合输入面12，平面波导衬底13，锯齿槽结构14。来自图像显示光源10的光线经过准直透镜组11的准直后入射到耦合输入面12，经耦合面的反射进入到平面波导衬底13中。光线在平面波导衬底中无损耗地传输到需要显示输出的位置后，由于锯齿槽结构14位于显示输出的位置，该结构的存在打破了光线在平面波导中的全反射传输条件，使光波耦合输出到平面波导外，从而进入到观察者的视野中。

本发明目视光学显示器件的基本结构由五部分组成，对于具体应用可对本发明的组成部分进行相应的扩展，从而进一步提高系统在具体应用方面的潜力。下面针对本发明六个部分的作用给以相应的说明性解释：

图像显示光源10在头戴显示应用系统中主要提供用来观察的图像信息。而目前主流的图像显示光源有DLP、LCD、OLED、Lcos等。不同的显示技术对应于不同的显示要求。为了能够使得显示系统的整体结构在体积上趋于微型化，且考虑光源各点亮度的均匀性、输出光效以及亮度要求和分辨率与尺寸的限制等因素，通常选择体积合适、亮度均匀、分辨率高的光源作为微显示系统的显示光源，如Lcos。为了满足光学设计和膜系设计等要求，通常会在显示光源前面加偏光片，用于改变来自显示系统的光波的偏振态。但这将导致进入波导显示系统的整体光效的大大减弱。不过，硅基液晶Lcos的光效足以满足相应的应用要求。对于硅基液晶Lcos可根据具体的要求选择CF-Lcos或CS-Lcos，两者主要在分辨率上存在显著差别。同尺寸的CS-Lcos的分辨率通常高于CF-Lcos。

准直透镜组11主要是对图像显示光源发出的光波进行准直。在头戴显示应用中，人眼作为最终的图像信息接收器，需要对来自图像的光波进行准直以达到人眼自由放松观看的实际要求，否则将会对人眼造成伤害。为了达到让人眼轻松查看信息的要求，一般采用光学透镜对显示光源发出的光波进行准直，但是由于光学系统像差的存在，图像经过透镜后存在着象散、畸变、场曲、彗差等像差，导致图像的对比度严重降低。为此对于准直透镜需要按照应用要求进行严格的像差矫正，以期达到理想的成像效果，否则就会影响光学系统的最终分辨率，使得人眼无法观看到清晰的图像信息。由于普通球面镜在矫正像差时，需要有不同材料和曲率半径的透镜组合而成，这会使整个系统的重量和体积增大。因此通常采用非球面镜和球面镜组合来完成像差的矫正，由于单个非球面镜即可矫正像差中的一些要求，从而给系统的整体结构及重量带来了益处。由于现代光学加工技术的发展，自由曲面技术也被应用于像差矫正中，因此可结合自由曲面技术来实现光学系统微型化的要求。

耦合输入面12是采用镜面反射的原理利用棱镜来改变光线的传播方向。来自准直系统的光线入射到耦合输入面12后，经输入面的反射进入到平面波导衬底中。由于采用了斜面来对光波进行耦合，使其进入衬底，可以有效的避免由于色差的存在而出现的反射光线对原始图像像质的影响。通常为了进一步提高光波的耦合输入效率，可在耦合输入面12的有效通光口径内蒸镀相应的多层增透膜，以提高光波的耦合输入效率。另外通过在耦合输入面的外表面旋涂相应的反射膜可以进一步提高进入到波导衬底的光波能量。

平面波导衬底13的加工材料有很多种，如玻璃材料JGS1、JGS2、K9、BK7等，塑料材料有PET、PMMA等。由于每种材料的折射率、色散系数不同，导致全反射临界角、材料的透过率、吸收系数和重量不同。考虑到实际应用条件以及加工工艺的限制，需要根据具体要求进行选择。光波在衬底中传播时需要满足全反射的条件，以保证光线没有折射出衬底，同时应尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则会使大量的光波能量在传输过程中损失而影响图像的可见度以及对比度。另外平面衬底材料本身限制了在衬底中传输的图像的范围，为了扩大传输图像的范围，通常在衬底表面按照需求镀上一定反射率的膜层或者选用高折射率的萤火玻璃材料，对材料的全反射角给予一定的扩展。为此，平面波导衬底的材料通常选择具备合适折射率、透过率以及机械性能的光学材料，如塑料亚克力PMMA。且塑料亚克力PMMA（n_d=1.49）的全反射临界角为42.2o，高于一般的K9玻璃（n_d=1.52）的全反射临界角41.8o，另外PMMA的重量较轻，对于同等体积的K9玻璃和PMMA塑料，PMMA的重量是K9玻璃的一半，这种优势可以用来减轻穿戴显示应用设备的重量。

锯齿槽结构14用于实现视场的扩展以及将光波耦合输出到衬底外。光波在平面波导衬底中传输一定的距离后到达锯齿槽结构14，锯齿的外表面旋涂了一定反射率的膜层，从而使得光线发生反射，偏离了原来的传输方向，使一部分的能量折射出衬底，折射出衬底的光线进入到人眼中形成了图像信息。由于锯齿槽结构的存在可以使整个齿形表面都实现对光线的反射，经过反射的光线能够覆盖衬底的大部分表面，从而实现了观察者视场的扩展，即出瞳的扩展。但是齿形结构表面加工需要达到镜面（表面粗糙度R_a应小于成像光的波长尺寸，如10-20nm）的效果，否则由于漫反射的存在会使图像的清晰度降低，严重的将导致观察不到需要显示的图像信息。通常齿形结构采用注塑、金刚石切割等办法实现，这些加工工艺相对应的表面粗糙度可满足要求。

本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的工作步骤以及实例应用：

图2为传统潜望式光学显示系统的光线传播示意图。如图2所示，传统的潜望式光学显示系统主要由耦合输入面Surf-input 、相互平行的波导衬底上下表面Surf1和Surf2以及耦合输出面Surf-output组成。为了保证耦合输入光线的空间方向和耦合输出光线的空间方向相同，显示系统的各参数需满足一定的条件，如下：

β_-145°=45°

其中，β_-145°为耦合输入面Surf-input和衬底下表面Surf2的夹角。

β_-245°=45°

其中，β_-245°为耦合输出面Surf-output和衬底上表面Surf1的夹角。

来自显示光源同一物点的光束20进入衬底以后，经过耦合输入面Surf-input的反射，使光线20与衬底上表面法线的夹角大于全反射临界角，从而继续在衬底中无损耗地传输。光束在衬底中经过传输到达耦合输出面Surf-output，经过耦合输出面的反射，一部分光线按照光学设计的要求折射出衬底形成成像光束 21，一部分光线折射出波导衬底形成成像光束22。虽然光束21和光束22是由来自同一物点的光束经折反射之后产生的，但经过输出面的反射，光束21和22的空间方向以对称形式出现，变成了空间两个物点发出的光线，导致鬼影的出现，影响原始图像的清晰度。再者为了扩大观察视场，需要通过增加衬底的厚度H-45来实现，这将导致显示系统的整体重量增加，为此需要采用新的视场扩展结构方式以减轻系统的重量。

图3为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的平面波导衬底示意图。为了使图像信息能够在既定的位置输出，必须借用相应的波导衬底来实现光波的传播。如图3所示，带有锯齿夹层结构的平面波导衬底分为part1和part2两个部分。其中part1部分由两个相互平行的上下表面30和31以及凸出锯齿结构32组成，相互平行的两表面主要用于使光波无损耗地传输到需要显示的输出位置。Part2部分由两个相互平行的上下表面33和34以及凹陷锯齿结构35组成。part1和part2的锯齿结构相互成啮合的形状，因此更易于两者的结合。对于平面波导衬底的上下两表面，其粗糙度、平行度以及平面度等方面必须满足基本光学加工的要求，否则会由于光线在衬底中无法按照镜面反射的要求传输，导致来自同一物点的光束在输出衬底以后夹角大于人眼的分辨率角，从而使得在人眼直接观察时出现重影，降低了图像的清晰度和对比度。再者锯齿结构在光线的输出中起到关键作用，对其的加工必须满足镜面要求，这样才能保证图像的清晰度不会降低。

图4为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构示意图。本发明中，图像水平视场角的扩展和图像的耦合输出主要借助于锯齿结构的数量和锯齿结构的镜面反射原理来实现的。图4左下角为两个平面波导衬底的锯齿结构40和41的放大示意图，可知锯齿结构是由两个相互倾斜的超光滑斜面Mirror-b和Surf-s组成，斜面Surf-s主要完成光线路径的改变使其耦合出波导，Mirror-b主要使光线按照原始路径继续传播，为了避免由于Mirror-b和Surf-s之间的距离W-H过小而引起的衍射效应，通常W-H的长度应大于一个成像光波长，否则由于衍射效应的存在将导致原始图像的清晰度降低。为了实现光线传播路径的偏转以及原始路径的继续，图中各参数关系应为：

W-H= sin(β_-c1)/h + sin(β_-c2)/h

其中β_-c1和β_-c2分别为斜面Surf-s和Mirror-b与水平面的夹角，h 为锯齿的高度。由于β_-c1和β_-c2的存在，锯齿的高度h不应过大，否则将导致斜面Surf-s和Mirror-b的接壤处无法形成需要的夹角，最终影响光学设计的要求。

对于水平视场角的扩展，主要借助于锯齿结构的数量来实现，其基本过程为：由于扩展视场结构的出现，可使光线反射由单一的反射面变成多个反射面的反射，这样将增大光学器件出瞳的面积，通过增加出瞳的面积，可以实现观察范围的增加。为了实现水平视场角的扩展，对于锯齿结构倾斜面的粗糙度有着严格的要求，即必须符合相应的镜面要求，同时锯齿结构倾斜角的精度必须符合设计的要求，否则将会出现鬼影。

图5为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的旋涂示意图。为了使锯齿结构能够改变平面波导衬底中光线的传输路径，需要在锯齿结构外表面旋涂具有一定折射率的膜层来实现。由于平面波导衬底的锯齿结构是由相互嵌套的两个锯齿构成，因此只需要在平面波导衬底中的锯齿部分按照设计的需要旋涂相应的膜50即可。另外平面波导衬底是采用PMMA材料加工而成的，在蒸镀膜层时必须考虑到加热对材料本身带来的影响，因此不宜采用传统的热蒸发镀膜工艺蒸镀，需要采用冷镀的方式进行。新兴的离子镀技术可以很好地解决这个问题。离子镀加工出的膜层虽然不如热蒸发时的牢固，但是由于膜层位于材料之间，牢固度不会受到周围环境的影响。

图6为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的光线传播示意图。如图6所示，来自图像显示光源的光线60垂直入射到平面波导衬底中与耦合输入面61相碰，经过耦合面61的反射，光线到达平面导光衬底的下表面Surf-down，此时主光线与下表面法线的夹角应满足大于材料的全反射临界角，紧接着被面Surf-down反射，与平面波导衬底的上表面Surf-up碰撞，又被面Surf-up反射，如此往复以全反射的形式传播到锯齿结构所在位置。当和锯齿结构斜面相碰撞以后，由于锯齿结构的斜面处旋涂着有一定反射率的膜层，使光线60被分成两部分，一部分按照原路径继续传播形成光线62，一部分被锯齿斜面反射出平面导光衬底，形成光线 63，如此反复使来自同一物点的光线按照上述设计的路径传播，实现了图像信息从一个位置移动到另外一个位置。

图7为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的结构参数示意图。为了实现本发明所述的效果，在进行光学设计时，衬底的结构参数和锯齿的结构参数之间应该满足一定的条件，否则将导致最终图像的分辨率、对比度和清晰度都会降低，达不到预期的效果。如图7所示，以轴上物点发出的主轴光线为参考光线进行设计，各参数的相应关系为：

β_-sur2= 2*β_-sur1

   γ_-c = β_-sur1

其中，β_-sur1为耦合输入面与平面波导衬底下表面的夹角，γ_-c为主轴光线与锯齿反射面法线的夹角，β_-sur2为主轴光线与平面波导衬底上表面法线的夹角，为了满足光波可以无损耗的在平面波导衬底中传输，要求β_-sur2必须大于材料本身的全反射临界角。

对于锯齿槽结构，为了使到达锯齿斜面的光线能尽可能的避免发生由于反射产生鬼影以及减少能量的损失，锯齿的两个斜面和水平面的夹角需满足：

β_-c1=β_-sur1

β_-c2 =90°－β_-c1

其中，β_-c1为锯齿反射面Surf-s与水平面的夹角，β_-c2为锯齿反射面Mirror-b与水平面的夹角 ，通过上述条件可以尽量避免鬼影的出现，

L1 ≥ L2

L2=N*(W-H)

L1=2H1*cot( β_-sur2)

W1 = M*L1

H1= 2*h

其中，L1为主轴光线在平面波导衬底上下两表面一个回程反射的位移，L2为锯齿的总长度，H1为平面波导衬底的厚度，N为微型锯齿的总个数。W1为耦合输入面到锯齿槽结构输出面的距离，M为正整数，h为锯齿槽结构距离平面波导衬底上表面的距离。在L1比L2长度长的情况下，主轴光线经过一次反射可以使大部分的能量耦合输出到衬底外，同时进行出瞳的扩展，进而扩展视场，否则由于光线的二次反射将导致鬼影的出现。

为了进一步说明上述参数的关系，特以实际参数来说明带有锯齿夹层结构的平面波导的原理：取当β_-sur1=30°时，则

β_-sur2=60°

γ_-c=30°

β_-c1=30°

β_-c2=60°

选取平面波导衬底的厚度为：H1=4.5mm， W-H=1.08mm，则：

L1=15.59mm

L2=13.75mm

W1=46.77mm

h=2.25mm

利用上述参数设计器件，可得到本发明器件的水平视场扩展为17°，波导的厚度仅仅为4.5mm，而传统的光学显示系统在相同的视场下，需要的波导厚度为10mm，相比之下，本发明极大地减轻了波导的重量。如需进一步增加视场可以通过增加波导的厚度来满足相应的需求。

图8为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构旋涂膜层的反射率随入射角度变化的曲线图。对于图7实例中的波导对应的尺寸，当β_-sur1=30°时，相对应的波导内的视场角α_-fov为±7°。如图8所示，当波长为550nm，入射角度为时，对于P偏振光，其相对应的反射率单调递减，而对于S偏振光，其相对应的反射率单调递增。这个特点有利于在设计旋涂膜层时，提高S偏振光的反射率的同时降低P偏振光的反射率，有利于光波能量经过一次反射被大量耦合出衬底，消除光线的影响，这是因为透过锯齿反射面的光线沿逆光路反射回来时由于加工误差的存在可能会引起杂散光。

图9为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的锯齿结构旋涂膜层的反射率随波长变化的曲线图。对于图7实例中的波导对应的尺寸，当β_-sur1=30°时，设计旋涂膜层时应当以30°为中心入射角进行设计。如图9所示，当入射角为30°时，对应于波长为440nm-680nm的光波，其P偏振光的反射率约为50%，S偏振光的反射率约为80%，因此对于入射到锯齿面上的各个波长的光波都可以很大程度上的被耦合出衬底外。

图10为本发明平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的集成单眼应用示意图。如图10所示，100为图像显示光源、101为准直棱镜组、102为平面波导衬底、103为锯齿槽结构。其基本工作过程为：来自图像显示光源100的光线通过准直透镜组 101的准直后，光波被耦合进入平面波导衬底 102中，光波在平面波导衬底中传输到锯齿槽结构103所在的位置，被耦合输出到衬底外，紧接着被折射到观察者的视野中。通过将上述几部分按照机械结构的设计的要求，组装在眼镜框中可用于穿透式显示。将本发明的组件用于可穿戴显示时，一方面可以实时观看需要显示的显示图片，同时由于本发明的组件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光的进入，因此还可以观察外面景物的变化。再者根据具体的要求可在普通眼镜框的两面分别加入波导器件，用于双眼3D显示。由于本发明选取的材质偏向于密度较小的PMMA光学塑料，因此用于双眼穿戴显示时，不会在重量上给佩戴者带来不舒服的感受。

实施例的作用与效果：

本实施例提供的平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件由于锯齿槽结构的存在使得整个齿形表面都可以实现对光线的反射，经过反射的光线能够覆盖衬底的大部分表面，从而实现了观察者视场的扩展，即出瞳的扩展。

本实施例提供的平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件的平面波导衬底是由带有凸出锯齿结构和凹陷锯齿结构的两个平面衬底通过锯齿啮合嵌套在一起的，且在锯齿结构的外表面处旋涂着具有一定反射率的膜层，可以使光线很好地耦合输出衬底，实现图像信息从一个位置移动到另一个位置。

本实施例提供的平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光的进入，因此，该光学器件应用于可穿戴显示时，不仅可以实时观看需要显示的图片信息，还可以观察外面景物的变化。

Claims (8)

1.一种平面锯齿夹层结构的目视光学显示器件，依次包括：

图像显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；

准直透镜组，对显示光源发出的光波进行准直；

耦合输入面，将准直光波耦合进入到平面波导；

平面波导衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；

锯齿槽结构，用于视场扩展以及光波耦合输出衬底；

其中，准直透镜组位于图像显示光源和平面波导衬底之间，锯齿槽结构位于平面波导衬底的中间夹层位置。

2.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

耦合输入面的有效通光口径内蒸镀有相应的多层增透膜，耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜，锯齿结构的外表面旋涂有反射膜。

3.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

锯齿夹层结构的平面波导衬底是由带有凸出锯齿结构和凹陷锯齿结构的两个平面衬底通过锯齿黏合嵌套在一起的。

4.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

锯齿槽结构的齿形表面需要加工到镜面（表面粗糙度Ra应小于成像光的波长尺寸）的效果，且单个锯齿单元的长度应大于一个光波长。

5.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

平面波导衬底的上下两个平行表面的粗糙度、平行度以及平面度都必须满足基本光学加工的要求。

6.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

锯齿槽结构的锯齿单元的两个斜面与水平面的夹角β_-c1与β_-c2之间满足下述关系：

β_-c2 =90°－ β_-c1。

7.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1与锯齿结构的总长度L2之间满足下述关系：

L1 ≥ L2。

8.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

耦合输入面到锯齿槽结构输出面的距离W1与主轴光线在波导上下表面一个回程反射的位移L1之间满足下述关系：

W1 = M*L1 ，其中M为正整数。